Радиационный перенос и фотохимические превращения в возмущенном разреженном газе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ДЕЛАМ НАУКИ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИ1УТ

На правах рукописи

' Яценко Олег Вадимович

. УДК 518.5+533.а+532.593

РАДИАЦИОННЫЙ ПЕРЕНОС И ФОТОХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ВОЗМУЩЕННОМ РАЗРЕЖЕННОМ ГАЗЕ

Специальность 01.04.08 - физика и химия плазмы

Автореферат 4 диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Московской физико-техническом институте и в НО "ИВТАН" РАН.

Научные руководители: доктор физико-математических наук

Кудрявцев H.H.

кандидат физико-математических наук Дорошенко В.М.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Мнацаканян А.Х.

доктор физико-мат ематических наук Суркиков С.Т.

Ведущая организация: Институт тепло- х массообмена

имени А.В.Лыкова АН РБ.

Защита состоится "_" _19й2г. в__часов на

заседании Специалзированного ученого Совета К 063.81.06 при Московском физико-техническом институте по адресу: 141700, г. Долгопрудный Моск. обл., Институтский пер., д.8, НИИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ

Автореферат разослан " " _ 1892г.

Ученый секретарь Специализированного совета

к.ф.-м.н. В.Б.Ковтун

ОЕиАл ХАгАг. ГЬгИСТИХА ?АЕОГ:1

Диссертационная работа посзяиена исследованию неравновесных радиационных и химических процессов з задачах динамики разреженного газа. Основным объектом рассмотрения является воздух в условиях, характерных для верхней атмосферы, что диктуется потребностями ряда современных технических приложений.

Актуальность темы. Потребность а знании оптических свойств термодинамически неравновесного воздуха возникает при решении многих задач современной радиационной газовой динамики, атмосферной фотохимии, при исследовании механизмов свечения над поверхностями космических летательных аппаратов (КЛА), при диагностике низкотемпературной плазмы и др. Современные методы расчета оптических характеристик газа и плазмы ориентированы, в основном, на равновесные системы и используют методологию табуляции.

В последнее время часто возникает необходимость а определении оптических свойств неравновесных систем - и по химическому составу и по распределению частиц по внутренним степеням свободы. Такие ситуации являются типичными, непример, при оптической диагностике лазерно-активных сред и низкотемпературной плазмы, при гиперзвуковом полете летательных аппаратов на больших ' высотах в атмосфере Земли и других небесных тел, когда распределение частиц по внутренним степеням свободы носит существенно неравновесный характер. При неравновесном распределении частиц по внутренним степеням свободы и неравновесном составе радиационные характеристики газа (плазмы) зависят от мнояества параметров и не могут быть затабули-рованы. Единственным способом их получения в этом случае яЕляется расчет, который по причине сложности и большого объема вычислений можно провести только с использованием высокопроизводительных ЭВМ. По этой причине вопрос о получении радиационных характеристик термодинамически неравновесной воздушной ллагш до настоящего времени остается в значительной степени открытым.

Целью работы является: зс-первкх, создание автоматизированной системы расчета оптических характеристик термодинамически неравновесного воздуха; во-вторых, исследование с ее помощью неравновесных радиационных и химических процессов, приводязих к свечениям над наветренными поверхностями ЮТА в ходе полетов по низким орбитам; в-третьих, исследование неразновесных процессов переноса излучения и фотохимческих превращений, сопровождающих взрывы в верхней атмосфере.

Научная новизна.

1.Разработана эффективная методика расчета радиационных характеристик (РХ) воздуха в термодинамически неравновесных условиях для слоев произвольной оптической толщины при учете вкладов молекулярных систем полос, атомных линий и непрерывного спектра. Показана возможность ее применения для целей диагностики низкотемпературной плазмы.

2.Исследовано влияние колебательного возбуждения поглощающих частиц на прозрачность в УФ области спектра верхней атмосферы, возмущенной мощным рентгеновским источником.

3.С целью проверки имеющихся гипотез о природе свечений над наветренными поверхностями КЛА проведены расчеты спектральных, пространственных и юолгционных характеристик свечения в предположении его обусловленности радиационными переходами в колебательных полосах 0Н(Х2Ю и /^О(Х'Ж). Для этого теоретически рассчитаны уятрич-ные элементы для переходов ^(ХХ'Я) между вксоколежввкки уровнями {Vдо 25) и с большим изменением колебательного квантового числа {л* до 12).

4.Исследованы закономерности распределения выделяющейся при мощном взрыве в разреженной атмосфере энергии по различным ее видам в зависимости от масштаба взрыва. Для крупномасштабного взрыва установлено слабое влияние динамики огненного кара на распространение волны фотопревращений в окружающем холодном газе.

5.Построена аналитическая теория распространения волн фотодиссоциации (ФД) и фотоионизации (ФИ) в холодном молекулярном газе, облучаемом мощным источником УФ излучения. Для ранней стадии крупномасштабного взрыва проведены численные расчеты неравновесных химических и фотохимических превращений в скруяащей огненный вар верхней аыосфере; выявлены основные закономерноси.

Практическая ценность.

Автоматизированная систеуа расчета оптических характеристик реализована но широкодоступных персональных ЭВМ и предназначена для решения широкого круга прикладных задач. Система позволяет определять РХ газа и плазмы, обусловленные радиационными переходами различных типов в широком диапазоне условий.

На основе проведенных расчетов выработаны рекомендации для натурных измерений основных характеристик свечений над КЛА с целью наиболее достоверной идентификации приводящих к их возникновению процессов.

Вычисленные в работе радиационные коэффициенты можно успешно

использовать при диагностике азотной плазмы в тлевдем, ВЧ и СВЧ разрадах.

Определены матричные элементы перекода для переходов А/0(А%) необходимые для моделироьания процессов, приводящих к свечениям над поверхностями больших KJ1A типа "Спейс шаттл".

Построенная теория распространения волн фотопревращений может быть использована для моделирования влияния сильных взрывных воздействий на рагзреженнуп газовую среду.

Апробация работы. Оснсвнкэ ре^льтаты работы докладывались на научных конференциях МФТИ в 1956-1£91гг., VI Всесоюзной конференции по взаимодействии элекромагнитных излучений с плазмой (Душанбе, 1801), Молодежной научно-технической конференции "Космонавтика - XXI век" (Калининград, Моск. обл., 1S91), VIII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, Í&91), XI Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов (Ленинград, 1891), VI Конференции по физике газового разряда (Казань, 1802).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глаа, выводов и списка литературы из наименований. Всего страниц, вклвчая рисунков.

СОДЕРНАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснованы актуальность и значимость теоретических исследований процессов неравновесного переноса излучения и неравновесных фотохимических превращений для ряда практических приложений; сформулирована цель работы. Приведены основные результаты и защищаемые положения. Кратко изложено содержание диссертации.

В первой гладе дано общее описание автоматизированной системы расчета РХ термодинамически неравновесного воздуха "Спектр". Приведена классификация элементарных процессов излучения и поглощения световь-х квантов. Обоснован выбор концепций, использованных при разработке автоматизированной системы, подробно рассмотрены расчетные методики. Обсуждена проблема достоверности получаемой спектральной информации, исследована пригодность системы для решения прикладных задач.

Обсуждены основные принципы, которыми руководствовался автор при создании системы "Спектр". Среди них выделены два основополагающих:

*

- возможность развития систеш самим пользователем с целью ее применения для решения конкретных прикладных задач при их динамическом изменении;

- максимальная независимость от реализации на конкретной ЭШ. Дано описание структуры систеш, принципов ее функционирования и реализованных возможностей. Для системы "Спектр" в качестве выходной информации могут быть:

1)коэффициенты поглощения:

2)интенсивность излучения;

3)сечения поглощения;

4)сечёния излучения.

Заселение квантовых состояний в системе "Спектр" может быть выбрано в настоящее время в виде четырех вариантов:

1)больцшновское равновесие по всем уровням;

2)квазиравновесное распределение, обусловленное радиационных™ переходами и накачкой возбужденных электронных уровней электронным ударом с конечной скоростью;

3)модельный неравновесный случай с неравновесным больцмановским распределением по отдельным модам;

4Хпроизвольное распределение. Описаны заложенные в систему "Спектр" методики расчета РХ, обусловленных переходами в электронных системах полос молекул (переходам этого типа уделено основное внимание ввиду их определяющего вклада в излучение и поглощение ряда неравновесных систем с одной стороны, и определенных мэтодологческих трудностях, возникающих при их расчетах, с другой), атомных линиях и непрерывном спектре. Дано их обобщение на случай неравновесных условий и оптически неоднородных трасс.

Проведено тестирование разработанных расчетных методик путем сравнения рассчитанных с использованием систеш "Спектр" РХ о данными других авторов, как расчетными, так и экспериментальными. С расчетными данными других авторов сопоставляется значения сечений поглощения следующих электронных систем полос молекул: -^(1+), Майне ла), ¿0 98), /&(/), , л&(£), СО (4+), Красной), ¿Я^ Фиолетовой) и ¿-¡.(Сванна), полученные для термодинамически равновесных условий.

Выбор именно этих систем в качестве основного объекта тестирования диктуется их определяющим вкладом в излучение и поглощение горячего воздуха в ряде практически важных случаев. Для большинства из этих систем наблюдается хорошее согласие с имеющимися в

литературе данными. Примечательно, что получаемые с использованием системы "Спектр" значения детально воспроизводят колебательную структуру спектра. Это связано с использованием э расчетных методиках идеи усреднения РХ по вращательной структуре при точном учете положения и силы каждой электронно-колебательно-вращательной линии в спектре. Такой подход позволяет получать РХ со степенью подробности, диктуемой потребностями большинства технических приложений.

С результатами экспериментальных измерений сопоставлена .рассчитанная в данной работе интенсивность излучения воздуха в условиях, характерных для гиперзвукового -обтекания затупленных тел, входящих в верхние слои атмосферы. Расчеты проводились кед б предположении локального термодинамического равновесия, так и для неравновесного заселения возбужденных электронных состояний молекул, обусловленного конечной скоростью их возбуждения электронным ударом. В расчетах учитывались вклады а излучение молекулярных электронных систем , линий атомов .V и С и их ионов и фотоприлипания с к и/ и О . Показано, что пренебрежение неравновесным характерЬм заселения возбуждэнных электронных состояний молекул в разреженном воздухе приводт к трехкратному завышении расчетной интенсивности излучения в УФ области спектра и двухкратному -суммарного радационного потока (рис.1).

Использование системы "Спектр" продемонстрировано на примера решения двух прикладных задач:

1)диагностики низкотемпературной азотной плазмы и

2)расчета пропускания УФ излучения неоднородным слоем верхней атмосферы СбСМООгш), возмущенной мощным рентгеновским источником.

В первом случае показана возможность восстановления населен-ностей отдельных электронно-колебательных уровней л1г путём измерения интегральной интенсивности излучения в соответствующих интер-. валах. Приводятся интерзалы измерения, пересчетные коэффициенты и степень достоверности восстанавливаемых значений для шести электронно-колебательных полос (2+)-системы в широком диапазоне условий.

Во втором случав обнаружено определяющее влияние распределения частиц по колебательным уровням на оптические свойства слоя возмущенной атмосферы (рис.2). Дано объяснение эффекта сильной ре-абсорбцией излучения в линиях с контуром, близким к доплеровскому. Бо второй главе дано краткое введение в проблему свечений .над

Рис. 1. Спектшлькая интенсивность излучения воздуха ггои 7*- 6500 К, />- 1 атк, I - I см:" I - расчет в предположении ЛТР; 2 - расчет при отсутствии равновесия для электронннх состояний; "3 - эксперимент (Георг Э.Б., Якушин М.И. // Мат. моделирование, 1690, Т.2, N7, с.48)

0.0£-\

0.03.

aoi-

?ис.

атмосферы в

i О. О

2. Зависимость усредненного гтоглосгения слоем возмущенной 25000^2ñOOOcM"i'

тов п- иона

) сястемя и£+з диапазоне волнсвых чисел от среднего запаса колебательных кван-

б

КЛА, приведена их классификация и основные характеристики. Обсуждены основные современные гипотезы, объясняющие природу свечений над наветренными поверхностям:! малых и больших космических аппаратов. Сделан вывод о необходимости проведения детальных численных расчетов РХ колебательно-возбуяденных частиц ОНУЮ И sJ0(X3JT).

С цельв изучения имеющихся экспериментальных данных и выявления механизмов свечения над наветренными поверхностями малых КЛА (спутников) приведены результаты моделирования излучения она**}, который Б этом случае является наиболее обоснованным кандидатом на роль излучателя. Расчеты РХ ОН (Х^Я") проводились с использованием системы "Спектр". В качестве исходной информации использовались данные различных авторов по матричный элементам перехода. Показано, что имеющиеся в литературе данные позволяют надежно моделировать высвет в видимей и ИК областях спектра.

Приведены результаты исследования влияния степени колебательного возбуждения частиц ОН на спектральный состав излучения. Показано, что детальное экспериментальное исследование спектра излучения спутников в широком диапазоне длин волн (0.5—3 мкм) позволит определить величину колебательного зозбужекия покидающих поверхность частиц ОН , что открывает возможность для изучения протекающих на поверхности физико-химических процессов.

Обобщены результаты исследований зависимости спектрального состава излучения от расстояния до поверхности КЛА и степени колебательного возбуждения ОН, полученные путем подстановки решения кинетической задачи о радиационной дезактивации колебительно-воз-буждзнных частиц з соотношения, списывающие спектральный состав излучения. Определена длина е-кратного ослабления излучения для различных спектральных диапазонов и степеней колебательного еоз-оуядения: при изменении длины волны от 0.5 до 5 мкм она увеличивается на порядок; при увеличении колебательной температуры с 2000 до 20000 К - примерно на SOJi. Показано, что следует ожидать наличие сильного свечения над наветренными поверхностями спутников в спектральных областях около 1.5 и 3 мкм из пространства, простирающегося на 15-S5 м от поверхности. В качестве иллюстрации на рис.3 приведены результаты расчетов эволюции спекрального состава излучении» OH(X*if) в зависимости от расстояния до поверхности спутника в предположении, что колебательно-возбужденные частицы ОН покидают поверхность с тепловой скоростью равной 500 м/с. Полученные данные свидетельствуют о значительно большем пространственном

?

Л?,Л*"

ш - , и/т/. сО.

0,7 5 - Л

0,50- ||| и

0,25- .дУп

в I*

0,5 V гГ

V,

г.5

/ 00-. ^ ,0/т-ед. 0,75-

0,500,25. О

0,5

Л

. /,5

3,5

Рис. 3. Спектральная интенсивность излучения . Колеба-

тельная температура - 50000 К. Наблюдения производятся вдоль направления, касательного к наветренной поверхности спутника:

а - с точки, находящейся б непосредственной близости от поверхности; б - с точки, удаленной от поверхности на 1 и; в - 5 м; г - 10 м; д - 25 м

В

масштабе свечения над спутником в ИН области спектра,.чем в видимой.

Проанализирована имеющаяся в литературе информация по матричным элементам перехода для л/0(ХЪГ), необходимым для моделирования свечений над большими KJ1A типа "Спейс шаттл". Отмечены существенные различия между матричными элементами для переходов с изменением колебательного квантового числа AV> 2, полученными разными авторами, а также отсуствив данных для переходов с aV> 4. Описана методика расчета матричных элементов для л#(Л'ЗГ)-переходов с 1/^25 (!/"- колебательное квантовое число, индекс ' соответствует верхнему комбинирующему состоянию, " - нижнему) 12. Матричные элементы определялись путем вычисления сверток колебательных волновых функций комбинирующих состояний, полученных в результате численного интегрирования уравнения Шредингера (колебания и вращения в молекуле AfJiXbC) взаимодействуют слабо) с функцией дипольного момента (ФДМ). Особое вниманияе уделялось контролю над точностью получаемых волновых функций, который осуществлялся путем сравнения вычисленных на их основе значений колебательной энергии Еу и вращательной постоянной By с экспериментальными значениями. Точность считалась удовлетворительной, если относительная ошибка в обоих случаях не превышала 0.1$. При вычислении сверток волновых функций с ФДМ проверялась их ортогональность, которая может нарушаться при численном интегрировании уравнения Шредингера. Матричный элемент считался определенным надежно, если выполнялось условие

ijfv'^fu- dlf/l Jfv> YvnU^iZ> CD

где fir> и колебательные волновые функции комбинирующих сос-

тояний, Ъ - межъядерное расстояние, fJ(V- ФДМ. Столь жесткие требования к точности определения волновых функций диктовались необходимостью надежного вычисления матричных элементов перехода между высоколежащиш колебательными уровнями и с большим изменением колебательного квантового числа. Использовались последние данные для RHR-потенциала взаимодействия ядер и «да э л2?(лЧ!Г).

Проведены расчеты синтетического спектра А/0{Х^Г) в диапазоне длин волн 0.5-7.0 мкм. Исследована чувствительность распределения интенсивностей в колебательно-вращательных полосах к ошибкам э задании RHR-потенциала <ЗД!1.

Рассчитанный спектральный состав излучения в видимой

области спектра отличается от зарегистрированного э ходе полётов

КЛА многоразового использования (рис.4). Полученная для видимой области спектра длина е-кратного ослабления свечения на два по-рядкг превьшает измеренную. На основании приведенных данных делается вывод о том, что свечение над наветренными поверхностями больших КЛА типа "Спейе шаттл" не может быть обусловлено радиационной дезактивацией колебательно-возбужденных молекул М){Х1Г).

Третья глава посвящена теоретическому исследованию волн фотодиссоциации (ФД) и фотоионизации (ФИ), распространяющихся в холодной атмосферном воздухе под действием излучения огненного шара, образовавшегося в результате мощного взрыва в верхней атмосфере.

Аналитически решалась задача о распространении волны ФД для ряда модельных случаев. Найдено фундаментальное решение для следующей одномерной постановки: слой газа, состоящего из двухатомных, способных к диссоциации при поглощении светового кванта молекул с концентрацией ф, облучается параллельным пучком света интенсивностью Т0. Считалось, что

1 поглощение каждого фотона из этого пучка приводит к диссоциации поглотившей его молекулы;

2)сечение поглощения молекулами одинаково для всех фотонов и равно 4 ;

?)продукты фотораспада оптически неактивны;

4)в среде нет рассеяния;

5)существующие источниковые члены исходных молекул стационарны. Соответствующая такой постановке задачи система уравнений переноса излучения и химической кинетики (ХК) имеет вид

Й = «) ■§§--■ ¿с! + (3)

где X , i , T—Kxjl), c^cfcjl) и /ЗД- соответственно пространственная координата, время, интенсивность излучения [cwf*c*L концентрация поглощающих частиц [см3] и истичниковьД член EcJ - с*]. Найдено точное аналитическое решение (2)-(3)

ТУ Li Jo/fx)

~ 'J , (4)

rf-r J, _ Ь>9 //_ Jo.§£fX),. д/ср

C(X>V ~ 7+q. (l c^ эх V

JfX) fF(x) dx7 (6)

a

Рис. 4. Интенсивность излучения в колебательно-вращательных полосахS/JOdf) в предположении, что населенности отдельных колебательно-вращательных уровней определяются соотношениями Больцмана с колебательной температурой 9000 К к зращательной 5000 К (1) в сопоставлении с данными наблюдений (Swenson G.R., Mende S.B., Clifton K.S. // Geoph. йеэ. Lett., 1965, v.12, N2, p. 67)

9 = ejcp[óc0(x-Jm

Решение (4)-(в) является фундаментальным в том смысле, что для любой интегрируемой функции F(X) подстановка (8) в (4)-(5) дает точное решение (2)-(3). Получены точные решения для частных случаев flfr)=0 (отсуствие рекомбинации и других источников исходных поглощающих частиц) и F(X¡=W (модель проточного реактора).

Включение в модель процессов рекомбинации и учет расходимости пучка света в случае сферически-симметричной постановки потребовали введения дополнительных приближений, наиболее существенным кз которых является предположение о малости длины пробега фотона в невозмущенном газе по сравнению с другими масштабами задачи. В этом приближении получены решения плоской и сферически-симметричной задач с учетом рекомбинации, неоднородности начального распределения и нестационарности источника излучения J^^f-t)-, вьпшсакы критерии их применимости.

Из полученных решений следует физически очевидный вывод о том, что по мере продвижения фронта волны ОД вглубь среды (в которой имеются какие-либо источники исходных частиц, например, протекают процессы рекомбинации) скорость ее будет падать от & при Х- О до О при Х-Волна фотопревращений не может проникнуть за пределы объема, суммарное поступление исходных молекул в который равно числу входящих в него квантов. Если источником поглощающих частиц является рекомбинация продуктов фотораспада, глубина проникновения излучения в газ Xх будет тем меньше, чем больше скорость рекомбнации.

Исследованы закономерности разлета равномерно нагретых огненных шаров в верхней атмосфере с целью определения спектральных и динамических характеристик испускаемого светового излучения. С этой целью численно интегрировалась система одномерных сферически-симметричных уравнений радиационной газовой динамики. Уравнение переноса излучения решалось в 25-групповом диффузионном секторном приближении. В лагранжевых (массовых) переменных система уравнений :РГД имеет вид

(7)

(8)

9S' f

(11)

Ot (12)

(13)

(18)

(15)

(14)

где 2 , -6 , Ь - соответственно пространственная координата, время и скорость; S - массовая координата; р , р , 7*, £ - соответственно плотность, давление, температура и внутренняя энергия;

, Д^- групповые поток излучения, коэффициент поглощения и функция Планка; £ - суммарный радиационный поток. Система (7)-(16) дополкртась граничными и начальными условиями. Исследовался разлет изначально покоящихся огненных шаров, имевших температуру 7"» 300000 К, плотность равную плотности окружающего холодного (5JJ- 200 г) воздуха р0- 1.29-10 г/см и начальный радиус Zq от 30 м до 3 км. Следует отметить, что огненные шары с указанными параметрами являются оптически тонкими. Газодинамические расчеты проводились (с использованием полностью консервативной разностной схемы, имеющей второй порядок аппроксимации по 5 и -t на равномерных сетках) как с учетом переноса неравновесного излучения, так и без такого учета.

Установлено, что при отсутствии переноса знергт излучением решения газодинамической задачи для шаров разных размеров являются подобными. Учет переноса энергии излучением приводит к полному отходу от подобия, что связано с малой оптической толщиной огненных шаров и, как следствие, объемным характером высвечивания их энергии. При этом наругается соотношение между не зависящим от Z0 временем радиационного охлаждения пара Zp и прямо пропорциональным Tq газодинамическим временем . Так при г^- 30 м на движение газа идет около 20Х начальной внутренней энергии тара, а

при 25, - 3 км - около IX; остальная энергия Быделяется в виде светового излучения. Расчетное время радиационного остывания оптически тонкого огненного шара,.имевшего плотность 1.29-10 г/см, до Т<= 1~000 К не превышает 0.5 с (приближенно оно обратно пропорционально плотности)^ а для газодинамического времени справедлива оценка ^ >, З-Ю-^с, где радиус шара выражен в м. Для крупномасштабных взрывов (ТфЪ^р показана возможность сведения РГД-задачи (7)-(16) к задаче о радиационном остывании огненного шара. Получены динамческие распределения групповых интенсивностей излу-чениия из объема шара разменом 55>- 3 км на временном интервале до 0.1 с; некоторые из них (для спектральных интерпалов, излучение в которых вызывает интенсивные процессы фотопревращений в холодном воздухе) приведены на рис.5.

Исследована кинетика химических процессов в сверхзвуковой волне фотопревращений, распространяющейся под действием излучения из огненного шара по холодному воздуху. Совместно решались уравнения переноса излучения в 16-ти спектральных группах и уравнения химической кинетики (ХЮ. Кинетическая модель учитывала ФД ФИ 02, /V, О и А/О, а также 60 наиболее существенных реакций между частицами 11-ти компонентной модели: Л^, 02 , Л/, О , //О . А/*, 0+ ¿/О* и е . Генерация фортрановского

текста подпрограммы ХК осуществлялась с использованием автоматизи-роьанной систе.чы БАНКОН, что заметно упростило процесс ее создания и отладки. При проведении расчетов предполагалось, что:

1 Избыточная энергия фогона по сравнению с энергией, необходимой для ФД или ФИ поглотившей его частицы, мгновенно выделяется в виде энергии поступательного движения;

2)отсуствуш конвекция и диффузия компонент между массовыми ячейками;

3)нагретый в ходе фотопревращекиий воздух теряет энергию в результате объемного высвета;

4)при распространении волны фотопревращений ооьем лагранжеэых ячеек не меняется;

5)поляризационные эффекты не влияют на кинетику химических превращений;

8)свчения поглощения фотонов в элементарных стадиях не зависят от температуры газа, (-посчитаны профили 11-ти компонент и температуры для £ > ^ в моменты времени от 10" * до 10~*с.

Установлено, что 1)процеес распространения волны фстохимичес-

/о*

<г

Рис.

5. Групповые радиационные потоки излучения из^огненного шара крупномасштабного взрыва ({£- ЗОООч, 7*-ЗОООООЮ в верхней атмосфере. Кривая 1 соотоветствует спектральному диапазону 4<-000 - 57500; 2 - 57а00 - 1000С0; 3 - 1СС000 - 115000: 4 - 115С00 - 150000; 5 - 130000 - 150000; 8 - 150000 - 200000; 7 - 200000 - 260000 см

ких превращений на расстояние в несколько километров от поверхности огненного шара протекает за времена гораздо меньшие газодинамических; 2) волна ФД €¡1 проникает в более удаленные слои холодного воздуха, чем волна ОИ нейтральных компонент, что связано со значительно более низкой скоростью рекомбинации атомарного кислорода в

по сравнению со скоростями прилипания электронов к /^г , а!* О* и

За пределами огненного шара выделены три области возмущения пространства, достаточно однородные по своим свойствам:

1)область фотоионизации;

2)область фотодиссоцтации;

3)невозмущенная область;

в первых двух подробно исследована кинетика фотопревращений. Результаты соответствующих расчетов приведены на рис.б В заключение диссертации сформулированы выводы.

1. На основе разработанной методики расчета радиационных характеристик воздуха в термодинамически неравновесных условиях создана автоматизированная система "Спектр", ориентированная на решение широкого круга прикладных задач. Создана база спектроскопических данных, включающая информацию о радиационных переходах з электронных системах полос молекул И£С СА/, СО,

С2 ; линиях //, ¿7, лТ О* ж непрерывном спектре воздуха. Обоснована необходимость учета неравновесных эффектов при решении некоторых прикладных задач.

2. Установлена сильная зависимость оптической прозрачности верхней атмосферы (80-100 км), возмущенной тощным рентгенозским источником, в УФ области спектра от степени колебательного возбуждения поглощающх частиц.

3. На примере низкотемпературной азотной плазмы показана возможность восстановления населенностей отдельных электронно-колебательных уровней путем измерения интегральной интенсивности излучения в соответствующих спектральных интервалах. Вычислены необ-ходмые для диагностики коэффициента.

4. Численно промоделированы процессы, ответственные за свечения над КЛА различных типов. Подтверждена гипотеза, что свечение над небольшими спутниками вызвано радиационной дезактвацией колебательно-возбужденных частиц ОНО(3£), покидающих поверхность аппарата. Показана необходимость привлечения альтернативных механизмов, отличных от радиационной дезактивации для объяснения свечений над большими КЛА типа "Спейс шаттл". Даны рекомендации по

проведет® натурных измерений с целью повышения их информативности.

Ь. Разработана аналитическая теория волн фотопревращений в холодном молекулярном газе, облучаемом мощным источником УФ излучения. Для нескольких задач в модельной постановке найдены точные решения. Предложено приближение малой длины пробега излучения по сравнению с другими пространственными масштабами задачи; найдены приближенные решения некоторых задач.

6. Исследованы закономерности выделения энергии при мощных неточечных взрывах в верхней атмосфере. Установлено, что значительная часть энергии взрыва теряется в виде излучения огненного шара. Показано, что для крупномасштабных взрывов на ранней стадии РГД-задача о разлете огненного шара сводится к существенно более простой задаче о его радиационном остывании. Рассчитаны динамические радиационные потоки из огненного шара размером 3000 м с начальной температурой 300000 Н для 25 спектральных интервалов и моментов времени ¿^0.1 с.

7. Проведены численные расчеты неравновесных химических и фотохимических превращений в окружающей огненный шар верхней атмосфере в интервале времен, соответствующем ранней стадии крупномасштабного взрыва. За пределами огненного шара выделены три однородные области: область ФИ, область ФД и невозмущенная область. Детально «ссладована кинетика химических превращений в каждой из этих областей.

s

IB

.4

Рис. в. Кинетические кривые неравновесных фотохимических процессов в областях ЛИ (а - нейтральные компоненты, б -заряженные; расстояние до центра шара г - 4200м) и $Д 1б и г - соответственно нейтральные и заряженные компоненты; 'С- 5400м).

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1.Дорошенко В.М., Кудрявцев Н.К., Яценко О.В. Расчет радиационных характеристик в (2+) системе азота в термодна?«чески неравновесных условиях // Деп. в ВИНИТИ, 6742-В88, с. 64-73.

2.Дорошенко В.М., Кудрявцев H.H., Яценко О.В. Автоматизированная система расчета оптических свойств неравновесной плазмы// Тез. докл. VI Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитных излучений с плазмой, Душанбе, 1991, с. 163.

3.Дорошенко В.М., Кудрявцев H.H., Яценко О.В. Диагностика азотной плазмы по излучению в (2+) системе Л^/'/ Тез. докл. VI Конференции по физике газового разряда, Казань, 19Э2, с. 160.-

4.Дорошенго В.М., Кудрявцев H.H., Яценко О.В. Оптические свойства плазмы воздуха // Тез. докл. VIII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы, Минск, 1991, ч.1, с. 200-201.

5.Дорошенко В.М., Кудрявцев H.H., Яценко О.В. Моделирование оптических свойств воздуха в неравновесных условиях// Мат. моделирование, 1992, т.4, N5, с. 3-17.

8.Дорошенко В.М., Кудрявцев H.H., Яценко О.В. Расчет радиационных характеристик термодинамически неравновесного воздуха // Препринт ИВТАН N1-S38, M., 1992, 45 с.

7.Губанов Е.В., Дорошенко Б.М., Нилыгав Д.Е., Кудрявцев H.H., Яценко О.В. Автоматизированные системы расчета химических и оптических свойств плазмы э задачах высокотемпературной газовой динамики // Препринт ИБТАН N1-344, М., 1932, 25 с.

8.Дорошенко В.М., Кудрявцев H.H., Яценко О.В. О механизмах свечения вблизи поверхностей космических аппаратов // Тез. докл. XI Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов, Ленинград, 1891, с. 87.

Э.Дорошенко В.М., Кудрявцев H.H., Яценко О.В. Излучение колеба-тельно-вогбузденных частиц ЛЙСЛЗГ) и кинетика их радиационной дезактивации // йури. прикл. спектроскопии, 1992, т.57 N5-6.

Ю.Дорошенко В.М., Кудрявцев H.H., Назяр O.A., Сухов A.M., Яценко О.В. Теоретическое и экспериментальное моделирование свечения над космическими аппаратами при орбитальном полете // Препринт ИВТАН N8-340, М., 1992, 57 с.

Ротапринт rfPTU 3a^/á/9 2{09Q2. mup lDO